束勻滑光束偏折現(xiàn)象的模擬*

李斌 劉占軍 郝亮 鄭春陽(yáng) 蔡洪波 何民卿

(北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所, 北京 100094)

達(dá)到高能量密度物理狀態(tài)后, 光束在介質(zhì)中的傳播行為與經(jīng)典光學(xué)研究范疇相比, 會(huì)出現(xiàn)一些新現(xiàn)象.比如在各向同性介質(zhì)內(nèi)可出現(xiàn)光束傳播方向改變的現(xiàn)象.另一方面, 高能量密度物理實(shí)驗(yàn)中由高功率激光器產(chǎn)生的束勻滑光束較為常見.本文分析了空間和時(shí)間束勻滑光束在各向同性等離子體傳播中出現(xiàn)束偏折現(xiàn)象的機(jī)制和條件, 并利用三維激光等離子體相互作用程序LAP3D進(jìn)行了驗(yàn)證.模擬表明只有當(dāng)同時(shí)發(fā)生成絲不穩(wěn)定性和存在離子聲速量級(jí)的橫向流時(shí)束勻滑激光才會(huì)產(chǎn)生顯著的束偏折現(xiàn)象.

1 引 言

在經(jīng)典光學(xué)范圍內(nèi), 光束在各向同性介質(zhì)內(nèi)的傳播方向不會(huì)發(fā)生改變, 傳播方向改變的現(xiàn)象通常發(fā)生在不同介質(zhì)的交界面處.但當(dāng)能量驅(qū)動(dòng)源如激光, 使介質(zhì)能量增加并達(dá)到高能量密度狀態(tài)后, 激光強(qiáng)度足以改變介質(zhì)折射率, 在這種介質(zhì)內(nèi)也會(huì)發(fā)生光束傳播方向改變的現(xiàn)象(束偏折)[1].另一方面在高能量密度物理研究中, 隨著近年來(lái)高功率激光器技術(shù)的發(fā)展, 采用激光束輻照產(chǎn)生高能量密度狀態(tài)成為一種常用的方式.許多采用大型高功率激光器的實(shí)驗(yàn), 通常輸出束勻滑光束[2?8].針對(duì)高能量密度狀態(tài)下, 束勻滑光束發(fā)生束偏折的機(jī)制和條件, 本文給出了相關(guān)研究結(jié)果.

束勻滑光束按光束勻滑方式可分為空間束勻滑和時(shí)間束勻滑兩種.它們的共同特點(diǎn)是光束包絡(luò)較為平滑, 但內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜, 內(nèi)部包含數(shù)千個(gè)小光斑, 縱向長(zhǎng)度為 8 F2λ0[1,2], 橫向長(zhǎng)度為 2 Fλ0[1,2],這里F為透鏡光學(xué)F數(shù), λ0為激光波長(zhǎng).分析束勻滑光束發(fā)生束偏折的條件, 要從光束內(nèi)部多個(gè)小光束相互作用角度考慮, 涉及到多體相互作用, 僅應(yīng)用理論分析較為困難.如果不考慮光束內(nèi)部結(jié)構(gòu), 僅從整個(gè)光束角度考慮, 其發(fā)生束偏折的條件在一定程度上可類比單個(gè)光束, 如高斯型光束發(fā)生束偏折的機(jī)制和條件, 本文從這個(gè)角度展開了對(duì)束勻滑光束發(fā)生偏折現(xiàn)象所需條件的分析和研究.

實(shí)驗(yàn)研究[9,10]和近期利用LAP3D程序?qū)Ω咚剐凸馐哪M研究[11]都表明, 高斯型激光束發(fā)生顯著偏折需滿足兩個(gè)條件: 發(fā)生成絲不穩(wěn)定性和存在聲速量級(jí)的等離子體橫向流[11].前者在聚焦光斑處形成密度凹坑并改變此區(qū)域折射率, 后者使這種密度空間結(jié)構(gòu)能在橫向整體移動(dòng).據(jù)此認(rèn)為研究束勻滑光束發(fā)生束偏折的條件可進(jìn)一步細(xì)化為研究以下兩點(diǎn): 束勻滑光束發(fā)生成絲不穩(wěn)定性的條件以及聲速量級(jí)的等離子體橫向流對(duì)成絲不穩(wěn)定性的影響.

本文根據(jù)以上兩個(gè)條件對(duì)束勻滑光束偏折現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制和條件進(jìn)行了研究, 給出了用于模擬三維束勻滑光束偏折現(xiàn)象的數(shù)值模擬程序LAP3D的物理建模, 分析了橫向流大小對(duì)不穩(wěn)定性發(fā)展的影響, 給出了研究空間束勻滑光束和時(shí)間束勻滑光束發(fā)生束偏折條件的數(shù)值模擬結(jié)果和分析.

2 物理模型

2.1 光束傳播模型

為描述光束在等離子體中的傳輸和等離子體響應(yīng), 三維激光等離子體相互作用程序LAP3D分別采用了激光包絡(luò)方程和雙溫流體方程組[12,13]的物理模型.由于束偏折現(xiàn)象發(fā)生與否跟光束成絲現(xiàn)象緊密相關(guān), 因此在激光傳播模型中只考慮衍射項(xiàng)和折射項(xiàng), 忽略激光受激散射項(xiàng), 對(duì)應(yīng)的包絡(luò)化激光傳播方程為

其中, E 為激光電場(chǎng)強(qiáng)度; vg為激光波包傳播群速度; c 為真空中激光光速; ω0為激光頻率; ν 為逆軔致吸收率; me為電子質(zhì)量; δ nef為電子擾動(dòng)數(shù)密度;為廣義衍射算子[12], 在下文推導(dǎo)中為簡(jiǎn)化用來(lái)代替.

2.2 流速對(duì)束偏折(成絲)發(fā)展影響的分析

設(shè)沿激光傳播方向?yàn)閦方向, 存在橫向(沿x方向)流速為 u⊥的等離子體流場(chǎng), 考慮流體方程組中的質(zhì)量連續(xù)方程:

和動(dòng)量方程:

其中, S 為電子動(dòng)量, u 為流速, Q 為人為粘性應(yīng)力張量, ψ 為有質(zhì)動(dòng)力勢(shì), p 和 pe為離子壓力和電子壓力.

對(duì)上面兩個(gè)方程線性化, 設(shè) E =E0+δE ,n=n0+δnef, 則質(zhì)量連續(xù)方程和動(dòng)量方程經(jīng)化簡(jiǎn)后, 可得 δ nef滿足的密度漲落方程為

其中, cs為離子聲速, M 為離子質(zhì)量, 對(duì) (1)式和(4)式做傅里葉分析可得色散關(guān)系為

A-A′剖面(圖2)顯示，F(xiàn)3斷層在熱水塘村一帶上覆有良好的保溫蓋層，熱儲(chǔ)層中的熱液沿該斷裂上升出流，在地表形成溫泉，其中S18溫泉溫度45 ℃，水量較大。C-C′剖面(圖3)直觀地反應(yīng)出該區(qū)燈影組地層是良好的熱儲(chǔ)層，但因蓋層較薄，鉆孔抽水人為加劇地下水循環(huán)，進(jìn)而導(dǎo)致降雨入滲混入熱儲(chǔ)層造成論證區(qū)熱儲(chǔ)層溫度不會(huì)太高。

考慮 ω =iγ ? ω0并且 k ·k0=0 , 化簡(jiǎn)得到光束傳播過(guò)程中存在橫向小擾動(dòng)及有橫向流場(chǎng)發(fā)生成絲不穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)的空間增長(zhǎng)率:

式中, γ 為成絲增長(zhǎng)率, k⊥為橫向擾動(dòng)波數(shù), k0為入射光束波數(shù), vos和 ve分別為電子在光場(chǎng)中的抖動(dòng)速度和熱速度.

對(duì)于在各向同性等離子體中傳播的高斯光束,可認(rèn)為在給定參數(shù)下 (6)式中物理量 ve、 vos、 ne、ncr、 k0、 cs均為定值.在光束的擾動(dòng)波數(shù) k⊥范圍內(nèi),以 kopt為例考察(6)式中橫向流大小對(duì)不穩(wěn)定性發(fā)展的影響.這里 kopt為沒有橫向流時(shí), 在此條件下使成絲不穩(wěn)定性增長(zhǎng)率取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的擾動(dòng)波數(shù).進(jìn)一步分析(6)式可知, 當(dāng)橫向流速為離子聲速時(shí), 對(duì)應(yīng)不穩(wěn)定增長(zhǎng)率為極大值; 當(dāng)流速逐漸小于離子聲速時(shí), 不穩(wěn)定性增長(zhǎng)率逐漸減小, 發(fā)生成絲的空間位置也逐漸“靠后”; 當(dāng)流速大于離子聲速時(shí), 成絲發(fā)展受抑制.

結(jié)合本節(jié)第一段所描述的模擬結(jié)果[11], 上面分析表明, 對(duì)高斯型光束, 橫向流對(duì)其束偏折的影響本質(zhì)上是橫向流對(duì)成絲不穩(wěn)定性發(fā)展的影響.考慮到束勻滑光束包絡(luò)內(nèi)部包含多個(gè)小焦斑, 其光強(qiáng)分布可近似等同于高斯光束, 因此可推斷束勻滑光束發(fā)生顯著的束偏折現(xiàn)象也需滿足發(fā)生成絲不穩(wěn)定性和存在聲速量級(jí)橫向流的條件.本文下面兩節(jié)將采用數(shù)值模擬研究的方法來(lái)進(jìn)一步分析和判斷.

3 空間束勻滑入射光束數(shù)值建模和束偏折模擬結(jié)果

激光器產(chǎn)生的入射光束通過(guò)位于聚焦透鏡前的相位板后, 被分割成多個(gè)子光束, 在遠(yuǎn)場(chǎng)疊加形成空間束勻滑光束.本文模擬中應(yīng)用連續(xù)相位板(continuous phase plate, CPP), 它使子光束間相位差在 0到 π 之間連續(xù)變化, 對(duì)比隨機(jī)相位板, 不僅在遠(yuǎn)場(chǎng)可產(chǎn)生更為平滑的包絡(luò)分布, 也使焦斑中能量提高到入射光能量的95%[14].

焦平面內(nèi)經(jīng)CPP后生成的空間束勻滑光束的電場(chǎng)幅值分布可表示為下式:

其 中, f為 透 鏡 焦 距 , E (x,y) 為 入 射 光 復(fù) 振 幅,t(x,y)為CPP的相位信息.

LAP3D程序采用笛卡爾坐標(biāo)系, 模擬三維大尺度上發(fā)生的空間束勻滑光束偏折現(xiàn)象.模擬中激光從 (x, y) 面入射, 沿 z 方向傳播.(x, y, z) 方向上對(duì)應(yīng)的模擬尺度分別為 ( 2048λ0,2048λ0,2048λ0) ,單位為激光波長(zhǎng) λ0, λ0= 0.351 μm.模擬空間內(nèi)等離子體均勻分布, 初始等離子體密度為 0.1nc, 電子溫度 Te為 3 keV , 離子溫度 Ti為 1 keV , 離子電離度 Z =1.

模擬中采用光學(xué) F數(shù)為 11, 長(zhǎng)軸約為200 μm, 短軸約為 100 μm 的橢圓焦斑 F200, 橢圓焦斑內(nèi)的電場(chǎng)幅值分布如文獻(xiàn)[15]中圖1所示.根據(jù)空間束勻滑光束入射面平均光強(qiáng)大小, 設(shè)計(jì)了5個(gè)模型.首先模擬了在沒有橫向等離子體流的條件下, 空間束勻滑光束在均勻等離子體中的傳播行為, 重點(diǎn)考察是否發(fā)生了光束成絲現(xiàn)象.然后引入聲速量級(jí)的橫向流, 再次計(jì)算上述5個(gè)模型, 重點(diǎn)考察是否發(fā)生了光束偏折現(xiàn)象.等離子體橫向流由x方向左邊界流入, 從x方向右邊界流出, 垂直于激光傳播方向.這些模擬結(jié)果如表1所示.

對(duì)于空間束勻滑激光在均勻等離子體傳播過(guò)程中能否發(fā)生成絲現(xiàn)象, 可根據(jù)下面公式[15]來(lái)判斷,

其中, Iav, λ0, ne, nc, Te和 F 分別為光斑平均光強(qiáng)、激光波長(zhǎng)、電子密度、等離子體臨界密度、電子溫度和光學(xué)F數(shù).當(dāng)空間束勻滑入射光束平均光強(qiáng)大于 Iav時(shí), 空間束勻滑光束在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生成絲現(xiàn)象; 反之, 小于此值時(shí), 空間束勻滑光束不成絲.根據(jù)上文給出的模擬參數(shù), 可知表1中模型 3, 4, 5 可發(fā)生成絲不穩(wěn)定性情況, LAP3D 模擬結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn).

表1 空間束勻滑光束F200成絲和束偏折現(xiàn)象模擬結(jié)果Table 1.Simulation results for filamentaion and beam deflection in the case of CPP smoothed beam F200.

圖1 不同激光強(qiáng)度下空間束勻滑光束對(duì)應(yīng)的束偏折模擬結(jié)果 (a) F200模型2加橫向流; (b) F200模型5加橫向流.圖中橫縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)模擬空間坐標(biāo)z和x, 其量綱為激光波長(zhǎng).橫向流速等于離子聲速Fig.1.Beam deflection simulation results at different incident intensity: (a) Transverse flow and average intensity lower than filamentation threshold; (b) transverse flow and average intensity higher than filamentation threshold.x and yaxes of two figures corresponding to xand z axes of simulation coordinates, respectively.The spatial scale is in unit of laser wave length.The transverse flow speed equals ion sound speed.

圖2 對(duì)比空間束勻滑光束發(fā)生束偏折時(shí)F200模型5加橫向流的入射面和出射面內(nèi)光斑電場(chǎng)幅值分布 (a)入射面; (b)出射面.圖中橫縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)模擬空間坐標(biāo)x和y, 其量綱為激光波長(zhǎng).橫向流速等于離子聲速Fig.2.Comparison of spatial distribution of laser electric field between laser entrance and exit planes as beam deflection presents:(a) Laser entrance plane; (b) laser exit plane.x and y axes of two figures corresponding to x and y axes of simulation coordinates,respectively.The spatial scale is in unit of laser wave length.The transverse flow speed equals ion sound speed.

對(duì)于束偏折現(xiàn)象的模擬表明, 如果空間束勻滑光束發(fā)生了成絲現(xiàn)象, 則引入聲速量級(jí)的橫向流后, 光束會(huì)發(fā)生顯著的束偏折現(xiàn)象; 反之, 如果光束沒有發(fā)生成絲現(xiàn)象, 則不會(huì)出現(xiàn)束偏折現(xiàn)象.如圖1所示, 模型2中沒有發(fā)生激光成絲現(xiàn)象, 加橫向流時(shí)對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果中光束傳播方向沒有變化;而模型5中發(fā)生了激光成絲現(xiàn)象, 加橫向流后對(duì)應(yīng)模擬結(jié)果顯示光束傳播方向隨傳播距離增加明顯偏向等離子體流方向, 即發(fā)生了束偏折現(xiàn)象, 這些模擬結(jié)果與物理預(yù)期相同.

此外從空間束勻滑光束入射面和出射面內(nèi)光斑電場(chǎng)幅值空間分布情況也可判斷光束是否發(fā)生了明顯的束偏折現(xiàn)象.如圖2所示, 對(duì)比F200模型5加橫向流時(shí)模擬結(jié)果給出的電場(chǎng)幅值在入射面和出射面內(nèi)的分布, 可以發(fā)現(xiàn)在出射面內(nèi)光斑整體偏向等離子體流的方向, 表明發(fā)生了束偏折現(xiàn)象.

F200對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果表明, 影響空間束勻滑光束明顯發(fā)生束偏折的物理?xiàng)l件與高斯光束時(shí)的主要物理因素相一致, 即空間束勻滑光束滿足成絲條件和存在流速在離子聲速量級(jí)的等離子體橫向流.

4 時(shí)間束勻滑入射光束數(shù)值建模和束偏折模擬結(jié)果概述

采用時(shí)間束勻滑的典型應(yīng)用為譜色散勻滑化技術(shù), 它利用光柵、三倍頻晶體, 展寬入射光束頻率, 然后使光束通過(guò)相位板和聚焦透鏡, 形成遠(yuǎn)場(chǎng)的譜色散勻滑 (smoothing by spectral dispersion,SSD)光束, 其傳播主要特征表現(xiàn)為光束在橫向上的“掃描”行為[16].SSD光束在焦平面上的光強(qiáng)分布為

式 中, 3δ 為 調(diào) 制 振 幅; ?m為 調(diào) 制 頻 率; (p,q)=(x,y)k?/(2f), x ,y 為焦平面上的空間坐標(biāo), k 是三倍頻后的波數(shù), ? 為相鄰相位板面元之間的距離;?KL為 ( K,L) 通過(guò)相位板面元造成的相移;γ=α?/2, 是由不同頻率以不同角度入射造成的位移.修改(9)式可得LAP3D程序中采用的入射面上光強(qiáng)分布的數(shù)值計(jì)算模型為[16]

其中

仿照上節(jié)研究空間束勻滑光束出現(xiàn)束偏折現(xiàn)象條件的思路, 可認(rèn)為對(duì)于SSD勻滑光束, 發(fā)生束偏折的前提是發(fā)生成絲不穩(wěn)定性.因此這里首先考察SSD光束發(fā)生成絲的條件.美國(guó)學(xué)者Kruer等[17?21]研究分析了有一定帶寬的激光抑制不穩(wěn)定性發(fā)展的條件, 指出當(dāng)不穩(wěn)定性增長(zhǎng)率為 γ0的波引入帶寬?ω時(shí), 不穩(wěn)定性引發(fā)的振幅增長(zhǎng)可被削弱為沒有帶寬時(shí)的 γ0/?ω 倍, 即

為考察SSD帶寬對(duì)其在等離子體傳播過(guò)程中發(fā)生束偏折的影響, 用LAP3D模擬了三種不同調(diào)制頻率的SSD光束在均勻等離子體中的傳播, 這里取調(diào)制頻率分別為 1 0?3ω0, 1 0?4ω0和 1 0?5ω0.模擬中取入射SSD光束光斑平均光強(qiáng)為2.11×1015W/cm2, 其余模擬參數(shù)與上節(jié)中算例相同.

根據(jù)模擬參數(shù), 可分析哪種調(diào)制頻率會(huì)出現(xiàn)束偏折現(xiàn)象.成絲不穩(wěn)定性最大增長(zhǎng)率 γmax為

其中, vos, ve, ωpe, k0, c 分別為電子在光場(chǎng)中的抖動(dòng)速度、電子熱速度、等離子體頻率、光束波矢和真空光速.根據(jù)上文模擬參數(shù)可知成絲不穩(wěn)定性最大增長(zhǎng)率 γmax≈ 2.56×10?4ω0.SSD光束帶寬?ω為

其中, δ 為調(diào)制深度, 模擬中取 δ =12 , fSSD為調(diào)制頻率.由本文算例所取的SSD光束調(diào)制頻率可知,當(dāng) SSD 光束調(diào)制頻率 f SSD 為 1 0?3ω0和 1 0?4ω0時(shí),SSD光束帶寬均遠(yuǎn)大于算例對(duì)應(yīng)的成絲最大增長(zhǎng)率 γmax≈ 2.56× 10?4ω0.但當(dāng)SSD光束調(diào)制頻率fSSD為 1 0?5ω0時(shí), SSD光束帶寬小于成絲最大增長(zhǎng)率.

根據(jù)上面的理論分析, 可以預(yù)期在取10?3ω0和 1 0?4ω0這兩種調(diào)制頻率時(shí), 時(shí)間束勻滑光束可以抑制成絲不穩(wěn)定性; 相應(yīng)束偏折現(xiàn)象也不會(huì)出現(xiàn).當(dāng) SSD 光束調(diào)制頻率為 1 0?5ω0時(shí), 可發(fā)生成絲不穩(wěn)定性; 當(dāng)同時(shí)存在聲速量級(jí)橫向流時(shí)會(huì)出現(xiàn)顯著的束偏折現(xiàn)象.下面給出的模擬結(jié)果也證實(shí)了這些判斷.

圖3 調(diào)制頻率為 1 0?3ω0 的時(shí)間束勻滑光束傳播行為 (a)對(duì)應(yīng)11000激光周期; (b)對(duì)應(yīng)13750激光周期.圖中橫縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)模擬空間坐標(biāo)z和y, 其量綱為激光波長(zhǎng)Fig.3.Propagation of SSD beam at modulation frequency of 10–3w0: (a) Corresponding simulation result at 11000 th laser periods;(b) corresponding simulation result at 13750 th laser periods.x and y axes of two figures corresponding to z and y axes of simulation coordinates, respectively.The spatial scale is in unit of laser wave length.

圖3給出了當(dāng)SSD光束調(diào)制頻率為 1 0?3ω0且沒有橫向流時(shí)的傳播過(guò)程的模擬結(jié)果.模擬發(fā)現(xiàn),在給定的傳播距離內(nèi)(約2000個(gè)激光波長(zhǎng)), 與空間束勻滑光束成直線傳播相比, SSD光束在空間傳播中表現(xiàn)出明顯的“掃描”行為, 這和已有模擬結(jié)果[16]和理論預(yù)期相符.

由上一節(jié)給出的模擬結(jié)果可知在給定的等離子體條件下, 本節(jié)算例中的SSD光束強(qiáng)度遠(yuǎn)大于成絲閾值, 但圖3中顯示SSD光束并沒有出現(xiàn)束發(fā)散現(xiàn)象.這表明當(dāng)SSD光束取調(diào)制頻率為10?3ω0時(shí), 抑制了成絲不穩(wěn)定性.由此可以預(yù)期,當(dāng)加入等離子體橫向流時(shí), 也不會(huì)明顯發(fā)生束偏折現(xiàn)象, 模擬結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn)(圖4).

除調(diào)制頻率為 1 0?3ω0的情況, 還模擬了SSD光束調(diào)制頻率為 1 0?4ω0時(shí), 無(wú)橫向流和有橫向流時(shí)的激光傳播情況.模擬結(jié)果表明, 無(wú)橫向流時(shí)算例沒有出現(xiàn)激光成絲現(xiàn)象, 相應(yīng)模擬流速在離子聲速量級(jí)的橫向流時(shí)的算例如圖5所示, 也沒有出現(xiàn)束偏折現(xiàn)象.當(dāng)調(diào)制頻率為 1 0?5ω0時(shí), 模擬結(jié)果表明: 無(wú)橫向流時(shí), SSD 光束會(huì)出現(xiàn)成絲現(xiàn)象; 有橫向流時(shí), 光束會(huì)出現(xiàn)束偏折現(xiàn)象.由于其調(diào)制頻率較低, 所以在本文所選的模擬空間尺度內(nèi), SSD光束傳播行為類似于前一節(jié)的空間束勻滑激光, 如束發(fā)散時(shí)光場(chǎng)空間分布的模擬結(jié)果與圖1(b)類似,故這里略去.

圖4 有橫向離子聲速量級(jí)等離子體流時(shí)調(diào)制頻率為 1 0?3ω0 的時(shí)間束勻滑光束的傳播行為 (a)對(duì)應(yīng)11000激光周期; (b)對(duì)應(yīng)13750激光周期.圖中橫縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)模擬空間坐標(biāo)z和y, 其量綱為激光波長(zhǎng).橫向流速等于離子聲速Fig.4.Propagation of SSD beam with transverse flow at modulation frequency of 10–3 w0: (a) Corresponding simulation result at 11000 th laser periods; (b) corresponding simulation result at 13750th laser periods.x and y axes of two figures corresponding to z and y axes of simulation coordinates, respectively.The spatial scale is in unit of laser wave length.The transverse flow speed equals ion sound speed.

圖5 對(duì)比時(shí)間束勻滑光束在調(diào)制頻率為 1 0?4ω0 時(shí)的光束傳播行為 (a)等離子體橫向流速為零; (b)等離子體橫向流速等于離子聲速.圖中橫縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)模擬空間坐標(biāo)y和z, 其量綱為激光波長(zhǎng)Fig.5.Propagation of SSD beam at modulation frequency of 10–4w0: (a) No transverse flow; (b) the transverse flow speed equals ion sound speed.x and y axes of two figures corresponding to y and z axes of simulation coordinates, respectively.The spatial scale is in unit of laser wave length.

綜上理論分析和模擬結(jié)果都表明, 當(dāng)SSD光束帶寬遠(yuǎn)大于成絲穩(wěn)定性最大增長(zhǎng)率時(shí), 通過(guò)抑制成絲不穩(wěn)定性發(fā)展, 可抑制束偏折現(xiàn)象出現(xiàn).

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)高斯型光束發(fā)生束偏折所需條件進(jìn)行引申, 提出了束勻滑光束發(fā)生束偏折的條件, 并應(yīng)用數(shù)值模擬程序進(jìn)行了驗(yàn)證和研究.模擬證實(shí), 對(duì)于空間束勻滑激光和時(shí)間束勻滑激光來(lái)說(shuō), 只有同時(shí)滿足發(fā)生成絲不穩(wěn)定性和存在離子聲速量級(jí)的橫向流時(shí), 才會(huì)產(chǎn)生顯著的束偏折現(xiàn)象.這表明束勻滑光束發(fā)生束偏折的物理成因與高斯型光束類似, 即成絲不穩(wěn)定性產(chǎn)生的密度空間結(jié)構(gòu)變化——“凹坑”, 以及在等離子體橫向流作用下產(chǎn)生橫向移動(dòng).結(jié)合初步理論分析表明, 橫向流速為離子聲速時(shí)束偏折現(xiàn)象最顯著.

研究表明, 在均勻等離子體及存在離子聲速量級(jí)橫向流時(shí), 如果空間束勻滑光束入射光斑平均光強(qiáng)大于成絲閾值, 可引發(fā)成絲不穩(wěn)定性從而發(fā)生束偏折現(xiàn)象; 對(duì)于時(shí)間束勻滑光束, 當(dāng)其帶寬遠(yuǎn)大于成絲不穩(wěn)定性最大增長(zhǎng)率時(shí), 可以抑制成絲不穩(wěn)定性從而避免束偏折現(xiàn)象產(chǎn)生, 反之則會(huì)發(fā)生束偏折現(xiàn)象.